黄荣辉，中国科学院院士，现任中科院大气物理研究所研究员，博士生导师，副所长。福建惠安人，1942年8月生。1965年北京大学地球物理系毕业后，在中国科学院研究生院就读大气动力学，1979年留学日本东京大学，1983年获日本东京大学理学博士学位。他先后从事气象卫星红外探测原理及反演，地球大气行星波动力学，短期气候变化与预测和中层大气动力学等方面的研究。近年来，他参加主持“我国长江、黄河流域旱涝规律、成因与预测研究”和主持“灾害性气候预测及其对农业年景和水资源调配的影响”等重大研究项目。他曾获中科院科技进步奖一等奖二次，自然科学奖二等奖一次，国家自然科学奖三等奖二次，并曾获国家五一劳动奖章和国家级“有突出贡献中青年科学家”称号。

    大范围、长时间的干旱和洪涝已给世界和我国带来很大灾害和巨大经济损失，这种气候变化与异常已成为国际科学界普遍关注的科学问题之一，也是地球科学最热门的研究课题。近年来研究表明这种时间尺度为月、季度气候变化与异常是受一种空间尺度为上万公里的波动——准定常行星波所控制，因此研究准定常行星波的形成、传播与异常则是这一研究领域关键性的动力学问题。

    早在50年代，我国著名气象学家叶笃正与朱抱真在国际上就首先提出大尺度地形与海陆热力差异的共同作用是准定常行星波形成原因。但经过20多年，由于大气观测技术的发展，观测资料的增多，人们发现过去把大气简单分成二层所研究的结果不能正确描述准定常行星波动的结构与分布。因此，利用更复杂，垂直分辨率更好的模式重新来研究准定常行星波的形成与传播，这是70年代末国际上大气动力学研究十分活跃的问题。

    黄荣辉首先从动力学和数值计算的结果论述了必须应用多层模式才能正确研究准定常行星波的分布与传播。接着，他在国际上首先提出了一个包括粘性，牛顿（Newton）冷却34层准地转球坐标模式，并利用这个模式研究冬夏两季北半球地形与热源对准定常行星波产生的作用。他的计算结果，当时在国际上被认为是与从观测事实所得到的准定常行星波的实际分布最吻合的研究，得到国际上的广泛引用与高度重视。正如英国一位国际著名大气动力学家在他文章中引用黄荣辉的研究成果时评价“在我的文章脱稿之后，中国的黄博士已发表了他用三维多层模式的研究成果，我的结果与他们的结果相类似。”

    在完成准定常行星波的产生机制研究以后，如何从理论上说明大气中准定常行星波会有这样的分布，即，在冬季30～40km的高纬度上空平流层有准定常行星波振幅的最大值，并且在低纬度上空16km高度左右对流层上层有次大值的分布；而在夏季，准定常行星波振幅在副热带对流层上层有最大值的分布。黄荣辉利用几何光学、物理光学原理以及波在缓变媒质中传播理论，从理论上研究了球面大气中准定常行星波的三维传播规律。

    若α是准定常行星波传播路径与水平方向的夹角，黄荣辉利用摄动

    由Q0与波数所决定的物理量，称波的折射指数。图1虚线是由冬季大气气流所计算出的Q0值。为了便于说明，可以画一个示意图（见图2），在中纬度地区上空Q0为最小值，而在高纬度地区Q0为最大值，在极地，由于风速很小，可以认为是一个刚壁，因此，如图2所示，若有一入射波从中纬度向极地传播，碰到极地，由于极地是刚壁，波向中纬度反射，根据上面黄荣辉所推导的公式，波只能沿Q0的梯度折射，因此它必须向极地折射，此折射波再由极地反射，这样来回折射与反射，在极地附近高纬度地区，波由对流层传播到平流层。可以看到行星波在极地附近高纬度地区只能从对流层垂直向上传播到平流层，而不能横跨此地区向别的区域传播，故在极地附近的高纬度地区的大气对于行星波来说如波导管，称“极地波导”。同理，在低纬地区也存在一个东西风交界处，即，风速为零的区域，并且在低纬度地区Q0值也大，因此，若在低纬度地区行星波向中纬度地区上空传播，根据黄荣辉所推导的公式，波将向低纬折射，故在中低纬度带之间同样存在着一个行星波的传播波导。所以经过严密的理论推导，黄荣辉在国际上提出了冬季准定常行星波在球面大气中传播存在着两支波导理论（如图1箭头所示）。他指出准定常行星波不仅沿“极地波导”从高纬度的对流层传播到平流层，而且还能从中纬度对流层下层传播到低纬度对流层上层，提出了另一波导的看法。并且他又研究了北半球夏季准定常行星波的传播特点，指出夏季准定常行星波不能从对流层传播到平流层，但它能从副热带地区准水平传播到中高纬度对流层上层和副热带地区的对流层上层。这些理论很好地解释了冬夏两季北半球准定常行星波的分布。他还从实际观测资料分析和数值模拟证明了上述他所得出的理论。他所提出准定常行星波传播“两支波导”的理论至今还得到国内外学者的广泛引用与高度评价。

    如何从理论上说明波在球面大气中传播中振幅与结构的变化，这是80年代初关于行星波传播研究中一个重要问题。英国著名地球流体动力学家安得烈（Andrew）与麦根泰尔（McIntyre）在β平面近似（柯氏参数随纬度变化为常数的面）证明波在传播中波作用量守恒。但由于准定常行星波不仅它的南北波长很长，而且它能在球面大气中沿一定波导进行传播，因此，必须在球面大气中来研究波作用守恒原理。黄荣辉针对准定常行星波这种大气运动中非地转风分量对这种波能南北输送起重要作用的事实，从而正确地证明了球面大气波作用守恒原理。若Am表示

    地球子午面上的投影），对于准定常行星波来说，有波作用守恒原理，即

    是平行于它的群速度在地球子午面上的投影，因此波作用通量矢量可以很好地表示波的传播方向。并且同样求证了在球面大气中波作用量与波的折射指数等的关系。

    他的这项研究共发表近30篇文章，促进了国际上关于行星波动力学的发展，也为我国大气环流动力学与短期气候变化动力学的研究开辟了一个研究方向。

    旱涝气候灾害是我国自然灾害中造成经济损失最严重的气候灾害，它每年给我国粮食生产和其它工农业生产带来严重影响。由于造成旱涝的成因是相当复杂，准确的旱涝预测是非常困难的。因此，开展对旱涝规律成因研究是一项既艰巨又有巨大社会效益与经济效益的研究。黄荣辉参加主持了国家重大研究项目“我国长江黄河两流域旱涝规律成因与预测研究”，并且从1986年起创造性地把行星波传播理论应用到引起我国旱涝的东亚大气环流和短期气候变化物理机制的研究之中。
　　本文标题：黄荣辉与大气行星波动力学的研究
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